Водородная энергетика. Материалы и технологии хранения, транспортировки и применения водорода и водородсодержащих смесей

Вызов ближайших десятилетий - в создании принципиально новой индустрии и рынка, основанного на безуглеродном производстве водородных энергоресурсов, их крупномасштабном хранении и транспортировке на значительные расстояния в трубопроводах и в морских и наземных танкерах, в организации широкомасштабного использования в энергетике, транспорте, промышленности. При этом объемы производства водородных энергоресурсов должны возрасти в несколько раз к 2050 г., а некоторые сегменты его технологической цепочки нужно будет масштабировать в сотни раз. Настоящий проект нацелен на углубление и интеграцию фундаментальных знаний о процессах взаимодействия водорода и водородсодержащих сред с функциональными и конструкционными материалами в области хранения, транспортировки и применения водородных энергоресурсов, что является непременным условием опережающего развития низкоуглеродной энергетики в условиях нового энергетического перехода. Критически важными в этом аспекте являются следующие направления исследования: 1. Установление физико-химических основ процесса взаимодействия водород-содержащих сред с авиационными жаропрочными сплавами, керамическими материалами, компонентами и катализаторами твердо-оксидных топливных элементов (ТОТЭ) при высоких температурах и создание физико-химических основ технологии получения и процесса деградации антикоррозионных, теплозащитных и каталитических покрытий. 2. Изучение взаимодействия композитных покрытий и адсорбентов на основе углеродсодержащих материалов с водородсодержащими средами для развития передовых технологий транспортировки и хранения водородных энергоресурсов. 3. Раскрытие физической сущности, поиск и описание механизмов возникновения и протекания аномальных непрогнозируемых опасных процессов и явлений при взаимовлиянии потоков водородных струй с вращающимися деформируемыми преградами. 4. Разработка математического и методического аппарата, анализ и оптимизация технологических решений в области водородной энергетики для оценки и снижения углеродного следа с учетом жизненного цикла водорода и водородсодержащего топлива. Исследование фундаментальных процессов взаимодействия водорода и водородсодержащих сред с функциональными и конструкционными материалами и техническими устройствами, разработка математического и методического аппарата оценки и управления углеродным следом в области хранения, транспортировки и применения водородных энергоресурсов. Представленные задачи являются продолжением работ, которые начаты в рамках данной тематики в 2023 г. 2024 год 1) Разработка составов антикоррозионных защитных покрытий и физико-химических основ технологии получения антикоррозионных защитных покрытий на жаропрочных сплавах, стойких к водороду при температурах до 1200оС. Исследование качества и эффективности полученных образцов антикоррозионных покрытий на стендовой установке, моделирующей работу авиационного двигателя при температурах до 1200оС, скоростях потока 270 м/с при воздействии коррозионных агентов НС1, SO2 и морской воды, содержащей соли сульфата и хлорида натрия с последующим анализом на современных приборах дефектов, толщины, изменений морфологии, химического и фазового состава антикоррозионных покрытий. Разработка составов и исследования изменения характеристик каталитических покрытий ТОТЭ в среде водорода при температурах до 1000оС, изучение причин и механизма деградации и снижения каталитических свойств каталитических покрытий ТОТЭ. 2) Разработка мало- и высоконаполненных полимерных покрытий, содержащих углеродные материалы, исследование их жизнеспособности, физико-химических и механических характеристик. Изучение возможности адсорбции и десорбции низкомолекулярных газов полученными металл-органическими каркасными структурами. 3) Адаптация модели для решения задачи взаимовлияния потоков водородных струй с деформируемыми преградами. Анализ влияния газодинамических нагрузок и свойств газа на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции. Анализ влияния физико-механических характеристик конструкции на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции. Анализ влияния геометрических параметров конструкции на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции. Проведение спектрального анализа, выявление значимых факторов, поиск резонансных частот. 4) Разработка методики оценки углеродного следа водорода и технологий в области получения, хранения, транспортирования и применения водорода. 2025 год 1) Разработка составов теплозащитных керамических покрытий, компонентов твердо-оксидных топливных элементов и физико-химических основ технологии получения - теплозащитных покрытий, стойких к водороду при высоких температурах на жаропрочных сплавах. Исследования характеристик и эффективности разработанных образцов компонентов ТОТЭ и теплозащитных покрытий. 2) Исследование образцов сталей и композитов с нанесенным защитным покрытием в различных модельных условиях, исследование водородоемкости созданных и модифицированных образцов углеродсодержащих композитных материалов. Изучение коррозионных и теплозащитных свойств разработанных покрытий с подтверждением требований к ним транспортировки водорода. Изучение возможности масштабирования методов получения наиболее активных металл-органических каркасных структур. Разработка технологии адсорбции и десорбции низкомолекулярных газов (водород, углекислый газ) металл-органическими каркасными структурами в лабораторных условиях. 3) Адаптация модели для решения задачи взаимовлияния потоков водородных струй с вращающимися деформируемыми преградами. Анализ влияния газодинамических нагрузок и свойств газа на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции при вращении системы «Газ-конструкция». Анализ влияния физико-механических характеристик конструкции на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции при вращении системы «Газ-конструкция». Анализ влияния геометрических параметров конструкции на процессы распространения, отражения и прохождения волн в газе и конструкции при вращении системы «Газ-конструкция». Проведение спектрального анализа, выявление значимых факторов, поиск резонансных частот при вращении системы «Газ-конструкция». 4) Создание базы данных углеродного следа материалов, реагентов, источников энергии и технологий, используемых на разных этапах жизненного цикла водорода и водородсодержащего топлива, в том числе для ГТУ. Определение граничных условий (критериев) целесообразности использования технологий получения, хранения, транспортирования и применения водорода и водородсодержащего топлива с учетом пороговых (предельных) значений углеродного следа для низкоуглеродного водорода. Оптимизация состава метановодородной смеси по критерию влияния на углеродный след.